An accurate and computationally efficient three dimensional nonlinear model for the analysis of large-scale RC structures subjected to cyclic and dynamic loading conditions

Abstract

During the last decades, many complex numerical models have been developed and proposed for the simulation of RC structures, as can be seen from the numerous contributions to conferences and scientific journals the last five decades. There are many parameters such as loading conditions, construction process, geometry and reinforcement configurations that affect the behavior of RC structures. Therefore, it is very difficult to develop a constitutive model that can take into account all the crucial parameters that affect the RC structures. The state-of the-art consists many constitutive models lack of consistency in results between various structural forms.The proposed model in this research work presents a numerical procedure which is based on the brittle nature of the material of concrete (Kotsovos and Pavlovic 1995). The combination of this numerical approach with the smeared crack method that treats cracking by redistributing the cracked stresses to the uncracked areas makes the modeling methodology numerically more stable. Additionally, the use of an innovative crack closing criterion which is crucial in cyclic loading conditions provides stability during the nonlinear analysis even when the loading is close to load carrying-capacity of the structure. Finally, the method is complemented with the introduction of two new material damage factors that are directly connected to the opening-closing procedure when the numerical model is subjected to cyclic and dynamic limit state loading conditions. For the numerical implementation of the proposed model, the concrete domain is simulated by 8- and 20-noded hexahedral elements. Steel reinforcement is modeled with truss and natural beam-column flexibility based elements, which are considered embedded inside the hexahedral concrete mesh. Furthermore, in order to extend the proposed method for modeling large-scale structures, the developed technology was combined with the HYMOD approach that foresees the combination of different in dimensionality FEs to decrease the computational demand.The comparison between the numerical and the experimental results showed that the proposed nonlinear procedure is capable in capturing accurately and efficiently the hysteretic behaviors of different RC structural members (beams, columns, shear walls, beam-column joints) under limit states of cyclic loading conditions. The introduction of two new material damage factors was also tested and found to be able to describe accurately the mechanical behavior of RC members that are subjected to cyclic and dynamic loading conditions and their behavior is characterized by strength and stiffness degradation and manage to capture the pinching effect.The hybrid modeling approach managed to simulate an entire four-storey RC building for 3 cyclic loading history tests based on the experimental data without any numerical problems. Finally, a numerical investigation has been performed for the efficiency of different RC wall retrofitting configurations of the four-storey building.

Η προσομοίωση της περίπλοκης συμπεριφοράς του οπλισμένου σκυροδέματος όταν υποβάλλεται σε διαξονική ή τριαξονική ανακυκλική ένταση αποτελεί αντικείμενο έρευνας πολλών ερευνητών τις τελευταίες δεκαετίες. Το σκυρόδεμα είναι ένα ανομοιογενές σύνθετο υλικό όπου παρουσιάζει πολύπλοκη συμπεριφορά η οποία επηρεάζεται από της συνθήκες φόρτισης, την γεωμετρία διατομών και φορέα, ποσοστό οπλισμού και διαδικασία κατασκευής. Τα καταστατικά μοντέλα που έχουν προταθεί στην βιβλιογραφία, εξαρτώνται από ένα σύνολο παραμέτρων με τις οποίες καλύπτουν ένα περιορισμένο φάσμα προβλημάτων-φορέων (δοκούς, στύλους, τοιχία). Το προτεινόμενο καταστατικό μοντέλο περιγράφεται μέσω κατάλληλου αλγοριθμικού σχεδιασμού και βασίζεται στην ψαθυρότητα του υλικού κάνοντας χρήση των καταστατικών σχέσεων που έχουν προκύψει από τριαξονική πειραματική διερεύνηση (Kotsovos and Newman 1977). Ένα βασικό προνόμιο του προτεινόμενου καταστατικού μοντέλου είναι οι καταστατικές σχέσεις εξαρτώνται μόνο από την μονοαξονική αντοχή του σκυροδέματος σε θλίψη fc. Η ρηγμάτωση προσομοιώνεται με την μέθοδο της διανεμημένης ρηγμάτωσης (smeared crack approach). Επιπλέον, ένα νέο κριτήριο κλεισίματος των ρωγμών προτάθηκε το οποίο βοήθησε στην ευστάθεια και ακρίβεια της υπολογιστικής διαδικασίας στην περίπτωση της ανάλυσης υπό οριακή ανακυκλιζόμενη φόρτιση του εξεταζόμενου φορέα. Επιπλέον προτάθηκαν δύο παράμετροι βλάβης οι οποίοι απομειώνουν την συνεισφορά του σκυροδέματος και του οπλισμού λόγω έντονη ρηγμάτωσης και του αριθμού του ανοιγοκλεισίματος των ρωγμών. Με αυτόν τον τρόπο το μοντέλο κατάφερε να προσομοιώσει ακριβέστερα την συμπεριφορά κατασκευών που υπόκεινται σε πολλούς κύκλους φόρτισης καθώς και σε δυναμικές φορτίσεις.Για την αριθμητική προσομοίωση του σκυροδέματος χρησιμοποιήθηκαν τρισδιάστατα 8-κομβικά πεπερασμένα στοιχεία. Παράλληλα οι ράβδοι οπλισμού προσομοιώθηκα ως ενσωματωμένα διακριτά στοιχεία (embedded discrete elements) στο εσωτερικό των 8-κομβικών στοιχείων σκυροδέματος. Για τα στοιχεία του οπλισμού χρησιμοποιήθηκαν τα στοιχεία δοκού με την μέθοδο δυνάμεων (natural beam column flexibility based elements). Επίσης χρησιμοποιήθηκε ένας υβριδικός τρόπος διακριτοποίησης για κατασκευές μεγάλης κλίμακας από οπλισμένο σκυρόδεμα, με τον οποίο το προτεινόμενο τρισδιάστατο λεπτομερές προσομοίωμα χρησιμοποιείται σε περιοχές όπου η συμπεριφορά του υλικού χαρακτηρίζεται ως διατμητική (κόμβοι τοιχία) ενώ οι περιοχές του σκυροδέματος που χαρακτηρίζονται από καμπτική συμπεριφορά (ενδιάμεσα τμήματα δοκών και κολώνων) διακριτοποιούνται με χρήση δομικών στοιχείων δοκού. Με αυτόν τον τρόπο, απομειώνεται σημαντικά το υπολογιστικό κόστος χωρίς σημαντικές επιπτώσεις στην ακρίβεια των αποτελεσμάτων. Το προτεινόμενο μοντέλο χρησιμοποιήθηκε για την ανάλυση φορέων με διαφορετική μηχανική συμπεριφορά όπως τοιχία, δοκούς, κόμβους από οπλισμένο σκυρόδεμα που καταπονούνται σε ανακυκλιζόμενη φόρτιση. Η ανάλυση έδειξε ότι τα αποτελέσματα παρουσιάζουν ικανοποιητική ακρίβεια σε σύγκριση με τα πειραματικά αποτελέσματα χαρακτηριστικά όπως την απομείωση της δυσκαμψίας, της αντοχής και της στένωσης των κύκλων υστέρησης (pinching effect). Το υβριδικό μοντέλο χρησιμοποιήθηκε για την ανάλυση ενός τετραωρόφου κτιρίου από οπλισμένο σκυρόδεμα σε ανακυκλιζόμενη φόρτιση που αναπαριστούσε χαμηλής και υψηλής έντασης σεισμική φόρτιση. Τέλος εξετάστηκαν εναλλακτικοί τρόποι ενίσχυσης του κτιρίου όπου διεξάχθηκε ιδιομορφική ανάλυση για την διερεύνηση της αποδοτικότητας τους.